はじめに

最近はPDに対応するUSB充電器も増えてきました。PDとはUSB-C端子の給電規格です。通常は5Vが給電されますが、PDに対応したデバイスを接続すると給電側と受電側で通信し、電圧を適切に切り替えることで急速充電が可能となります。この規格を利用し、複数の電圧を取り出せるようにするデバイスが今回自作したUSBトリガーモジュールです。USBデコイとも呼ばれます。受電側で降圧、昇圧する必要がなく非常に便利なデバイスですが、国内だとあまり流通していないので自作に挑戦してみました。独学なので至らない点も多々あるかと思いますが、何らかの参考になれば幸いです。

方針

自作するが故に設計の自由度は高いですが、以下の点を主に重視しました。

小型であること
安価であること
組み立てる手間が少ないこと

USB Power Delivery

USB-C端子のピン配置は以下の通りです。画像はこちらより引用しました。

給電側と受電側との通信には表裏の判定などにも利用されているCCラインが流用されます。通信速度は比較的遅いため、差動方式ではなくシングルエンド方式が採用されているようです。

設計

プリント基板の設計にはKiCadを利用しました。

回路図

WCH製のCH224という受電側コントローラを使います。データシートに載っている回路図を参考にしました。電圧を設定する方法としては2種類が用意されており、CFG1ピンに抵抗を接続して設定する方法もありますが、今回はCFG1、CFG2、CFG3ピンの電圧レベルを切り替えて設定する方法です。3回路のDIPスイッチで設定します。要求した電圧と出力電圧が合致するとPGピンはLレベルになるのでLEDが点灯します。出力電圧についてはVBUSピンで監視しています。また、CFG2、CFG3ピンには3.7V以上を入力できないため、電圧レベルはVDDピンと合わせます。VDDピンは内蔵シャントレギュレータにより約3.3Vを維持するからです。

レイアウト

プリント基板に流せる電流は配線幅やビアのサイズ、銅箔の厚さに依存します。こちらに詳しく解説されていたので参考にしました。なお、CH224はeMarkerにも対応しているので最大100Wまで引き出せるみたいですが、そこまで酷使するようなことは想定していません。

ガーバーファイルはこちらからダウンロードできます。

部品表

後述するように今回はJLCPCBで発注するため、KiCadには専用のプラグインを導入しています。導入方法はこちらが参考になります。在庫量や価格などがリアルタイムに反映されるため、部品の割り当てがプラグインだけで完結し、非常に効率的です。また、ガーバーファイルに加えてBOMファイルやCPLファイルも同時に出力できるので楽です。

リファレンス番号	型番	LCSC	個数	価格
C1	CL10A105KB8NNNC	C15849	5個	3.4882円
R3	0603WAF1001T5E	C21190	5個	0.5937円
R2, R4, R5, R6	0603WAF1002T5E	C25804	20個	2.6718円
J1	GT-USB-7010ASV	C2988369	7個	76.9938円
D1	19-217/BHC-ZL1M2RY/3T	C72041	5個	12.6911円
U1	CH224K	C970725	5個	358.4729円

価格は5枚のプリント基板に必要な個数で計算しています。USB-C端子にはU262-161N-4BVC11用のフットプリントを割り当てましたが、なるべく安い部品を探し、同じフットプリントが使えそうなGT-USB-7010ASVを選びました。ピン数は16本です。特に問題なく実装できていたので良かったです。なお、JLCPCBが取り扱う部品はBasic部品とExtended部品との2種類に分類されており、Extended部品を選ぶと1種類当たり3ドルもの手数料が追加されてしまうため、なるべくBasic部品の中から選びつつ、手数料も含めて他と比較していけば安く済みます。今回は残りのチップ抵抗、DIPスイッチ、端子台を秋月電子通商で購入し、別途はんだ付けしました。

リファレンス番号	型番	販売コード	個数	価格
SW1	KSD32	109992	5個	400円
J2	APF-142	108367	5個	100円
R1	RPS2512F1K	109461	5個	35円

製造

プリント基板の製造にはJLCPCBを利用しました。

PCBA

CH224Kでは裏面から放熱パッドを兼ねたGNDピンが出ています。手実装は難しそうなのでPCBAを利用しました。折角なのでチップ抵抗やチップコンデンサ、チップLEDのサイズは1608Mで揃えています。注意としては部品の向きが設計と異なる場合もあるため、発注時によく確認して修正する必要があります。発注画面から修正できます。基準となる向きがKiCadとJLCPCBとの間で異なることに起因しているみたいです。

価格

ほとんどの部品は黒色に揃えたのでレジストも黒色を選びました。実物を見るとマットな感じでした。どの色でも同じ価格です。また、配送業者はOCS Expressを選びました。送料は約2ドルです。届くまでに10日間くらい待つ必要はありますが、細かく追跡できるので安心です。今回は9ドルのクーポンを適用し、合計で約2200円となりました。発注量は5枚です。

実装

チップ抵抗のはんだ付けに少し苦戦してしまいました。発注してから気が付きましたが、KiCadのフットプリントは部品によって機械実装用と手実装用との2種類が用意されている場合もあるみたいです。手実装用の方は機械実装用よりもランドが大きく、はんだ付けしやすいようになっていますが、これを知らずに機械実装用を選んでいました。はんだ吸い取り線で修正しつつ、なんとか完成しました。